(57)【要約】【課題】単一の部材からなり、構造が単純であり、溝部等が不要であり、縦振動とねじれ振動を容易に励起することができ、該縦振動と該ねじれ振動を合成することにより楕円振動を形成し、該楕円振動によりロータを回転させる超音波モータを提供することである。【解決手段】超音波モータ１０は、中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する振動子である圧電素子１１と、該圧電素子１１の楕円振動発生面に接して振動子の該楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動されるロータ１６と、を少なくとも備えている。そして、上記圧電素子１１の回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、上記回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動とを合成することにより、上記楕円振動を形成する。【選択図】      図１
2010022181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する振動子と、該振動子の楕円振動発生面に接して該振動子の該楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動されるロータと、を少なくとも備えた超音波モータであって、
上記振動子の上記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、上記回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動とを合成することにより、上記楕円振動を形成してなることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
上記振動子の上記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、上記回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動と、の共振周波数がほぼ一致するように、上記振動子の上記矩形状の長さ比率を設定したことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
上記振動子の上記矩形状の長さ比率は、該矩形状の長辺に対する短辺を、略０．６とすることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
上記振動子の上記回転軸方向に直交する断面形状は、略長方形状であることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項５】
上記振動子は圧電素子のみから構成されるものであり、
上記圧電素子には、上記回転軸に平行な面であって、該回転軸に平行な面のねじれ振動の少なくとも１つの節位置近傍に第１の駆動用交差指電極が設けられており、該第１の駆動用交差指電極の長手方向と上記回転軸の方向とのなす角度θが  
０＜θ＜π／２  
の条件で設けられ、
上記第１の駆動用交差指電極が設けられた面と対向する面には第２の駆動用交差指電極が設けられており、該第２の駆動用交差指電極の長手方向と上記回転軸の方向とのなす角度τが、  
τ＝π−θ  
をもって配されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項６】
上記振動子は圧電素子のみから構成されるものであり、
上記圧電素子には、上記回転軸に平行な面であって、該回転軸に平行な面のねじれ振動の少なくとも１つの節位置近傍に第１の駆動用交差指電極が設けられており、該第１の駆動用交差指電極の長手方向と上記回転軸の方向とのなす角度θが  
０＜θ＜π／２  
の条件で設けられ、
上記第１の駆動用交差指電極が設けられた面の上記ねじれとは逆方向のねじれ節位置近傍に第２の駆動用交差指電極が設けられており、該第２の駆動用交差指電極の長手方向と上記回転軸の方向とのなす角度τが、  
τ＝θ  
をもって配されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項７】
上記振動子は圧電素子のみから構成されるものであり、
上記圧電素子には、上記回転軸に平行な面であって、該回転軸に平行な面のねじれ振動の少なくとも１つの節位置近傍に第１の振動検出用交差指電極が設けられており、該第１の振動検出用交差指電極の長手方向と上記回転軸の方向とのなす角度φが  
０＜φ＜π／２  
の条件で設けられ、
上記第１の振動検出用交差指電極が設けられた面と対向する面には第２の振動検出用交差指電極が設けられており、該第２の振動検出用交差指電極の長手方向と該回転軸の方向とのなす角度ψが、  
ψ＝π−φ  
をもって配されていることを特徴とする請求項５若しくは６に記載の超音波モータ。
【請求項８】
上記振動子は圧電素子のみから構成されるものであり、
上記圧電素子には、上記回転軸に平行な面であって、該回転軸に平行な面のねじれ振動の少なくとも１つの節位置近傍に第１の振動検出用交差指電極が設けられており、該第１の振動検出用交差指電極の長手方向と該回転軸の方向とのなす角度φが  
０＜φ＜π／２  
の条件で設けられ、
上記第１の振動検出用交差指電極が設けられた面の上記ねじれとは逆方向のねじれ節位置近傍に第２の振動検出用交差指電極が設けられており、該第２の振動検出用交差指電極の長手方向と該回転軸の方向とのなす角度ψが、  
ψ＝φ  
をもって配されていることを特徴とする請求項５若しくは６に記載の超音波モータ。
【請求項９】
上記駆動用交差指電極が一面につき複数箇所に設けられていることを特徴とする請求項５若しくは６に記載の超音波モータ。
【請求項１０】
上記振動検出用交差指電極が一面につき複数箇所に設けられていることを特徴とする請求項７若しくは８に記載の超音波モータ。
【請求項１１】
上記振動子の上記ねじれ軸方向中央部に設けられた貫通穴と、
該貫通穴の略中央部で固定されたシャフトと、
を更に具備し、
上記ロータは、上記シャフトの周りに回転自在に保持されたことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項１２】
中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する振動子と、該振動子の楕円振動発生面に接して該振動子の該楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動されるロータと、を少なくとも備えた超音波モータであって、
上記振動子の上記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、上記回転軸をねじれ軸とするねじれ３次共振振動とを合成することにより、上記楕円振動を形成してなることを特徴とする超音波モータ。
【請求項１３】
上記振動子の上記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、上記回転軸をねじれ軸とするねじれ３次共振振動と、の共振周波数がほぼ一致するように、上記振動子の上記矩形状の長さ比率を設定したことを特徴とする請求項１２に記載の超音波モータ。
【請求項１４】
上記振動子の上記矩形状の長さ比率は、該矩形状の長辺に対する短辺を、略０．３とすることを特徴とする請求項１３に記載の超音波モータ。
【請求項１５】
上記振動子の上記回転軸方向に直交する断面形状は、略長方形状であることを特徴とする請求項１４に記載の超音波モータ。
【請求項１６】
上記振動子は圧電素子のみから構成されるものであり、
上記圧電素子には、上記回転軸に平行な面であって、該回転軸に平行な面のねじれ振動の少なくとも１つの節位置近傍に第１の駆動用交差指電極が設けられており、該第１の駆動用交差指電極の長手方向と上記回転軸の方向とのなす角度θが  
０＜θ＜π／２  
の条件で設けられ、
上記第１の駆動用交差指電極が設けられた面と対向する面には第２の駆動用交差指電極が設けられており、該第２の駆動用交差指電極の長手方向と上記回転軸の方向とのなす角度τが、  
τ＝π−θ  
をもって配されていることを特徴とする請求項１２乃至１５の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項１７】
上記振動子は圧電素子のみから構成されるものであり、
上記圧電素子には、上記回転軸に平行な面であって、該回転軸に平行な面のねじれ振動の少なくとも１つの節位置近傍に第１の駆動用交差指電極が設けられており、該第１の駆動用交差指電極の長手方向と上記回転軸の方向とのなす角度θが  
０＜θ＜π／２  
の条件で設けられ、
上記第１の駆動用交差指電極が設けられた面の上記ねじれとは逆方向のねじれ節位置近傍に第２の駆動用交差指電極が設けられており、該第２の駆動用交差指電極の長手方向と上記回転軸の方向とのなす角度τが、  
τ＝θ  
をもって配されていることを特徴とする請求項１２乃至１５の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項１８】
上記振動子は圧電素子のみから構成されるものであり、
上記圧電素子には、上記回転軸に平行な面であって、該回転軸に平行な面の少なくとも１つの節位置近傍に第１の振動検出用交差指電極が設けられており、該第１の振動検出用交差指電極の長手方向と上記回転軸の方向とのなす角度φが  
０＜φ＜π／２  
の条件で設けられ、
上記第１の振動検出用交差指電極が設けられた面と対向する面には第２の振動検出用交差指電極が設けられており、該第２の振動検出用交差指電極の長手方向と該回転軸の方向とのなす角度ψが、  
ψ＝π−φ  
をもって配されていることを特徴とする請求項１６若しくは１７に記載の超音波モータ。
【請求項１９】
上記振動子は圧電素子のみから構成されるものであり、
上記圧電素子には、上記回転軸に平行な面であって、該回転軸に平行な面の少なくとも１つの節位置近傍に第１の振動検出用交差指電極が設けられており、該第１の振動検出用交差指電極の長手方向と該回転軸の方向とのなす角度φが  
０＜φ＜π／２  
の条件で設けられ、
上記第１の振動検出用交差指電極が設けられた面の上記ねじれとは逆方向のねじれ節位置近傍に第２の振動検出用交差指電極が設けられており、該第２の振動検出用交差指電極の長手方向と該回転軸の方向とのなす角度ψが、  
ψ＝φ  
をもって配されていることを特徴とする請求項１６若しくは１７に記載の超音波モータ。
【請求項２０】
上記駆動用交差指電極が一面につき複数箇所に設けられていることを特徴とする請求項１６若しくは１７に記載の超音波モータ。
【請求項２１】
上記振動検出用交差指電極が一面につき複数箇所に設けられていることを特徴とする請求項１８若しくは１９に記載の超音波モータ。
【請求項２２】
上記振動子の上記ねじれ軸方向中央部に設けられた貫通穴と、
該貫通穴の略中央部で固定されたシャフトと、
を更に具備し、
上記ロータは、上記シャフトの周りに回転自在に保持されたことを特徴とする請求項１２乃至２１の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項２３】
上記振動子の縦振動及びねじれ振動の共通の節位置近傍で固定された振動子保持部材を更に具備し、
上記ロータは、上記振動子保持部材に対し回転自在に保持されたことを特徴とする請求項１２乃至２１の何れか１項に記載の超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動を駆動力源として被駆動体を駆動する超音波モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、下記特許文献１には、振動子の縦振動とねじれ振動を合成して楕円振動を発生させ、ロータを回転させる超音波モータが提案されている。そして、下記特許文献１の図１には、振動子の分解斜視図が描かれており、振動子軸方向に対し斜めにカッティングされた弾性体の間に複数枚の圧電素子が挿入された構成となっている。また、該圧電素子の正電極は２分割されており、ここでは、それぞれＡ相、Ｂ相と称するものとする。
【０００３】
ここで、Ａ相とＢ相に同位相の交番電圧を印加することで、棒状振動子に縦振動を発生させることができる。また、Ａ相とＢ相に逆位相の交番電圧を印加することで、棒状振動子にねじれ振動を発生させることができる。尚、振動子の溝位置を調整して縦振動の共振周波数と、ねじれ振動の共振周波数を、ほぼ一致するようにしておく。そして、Ａ相とＢ相にπ／２位相の異なる交番電圧を印加すると、縦振動とねじれ振動が同時に発生し、棒状弾性体上面に楕円振動を発生させることができる。棒状弾性体上面にロータを押圧することにより、ロータを時計方向（ＣＷ方向）若しくは反時計方向（ＣＣＷ方向）に回転させることができる。 
【特許文献１】特開平９−１１７１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載された超音波モータは、その図１に示されるように、圧電素子と弾性体が必要になる、弾性体を斜めにカットしなければならない、縦振動とねじれ振動の周波数を合わせるために弾性体の一部に溝部を設けなければならない、等の課題があった。それ故、全体として振動子の構成が非常に複雑となるという課題を有していた。
【０００５】
したがって本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、単一の部材からなり、構造が単純であり、溝部等が不要であり、縦振動とねじれ振動を容易に励起することができ、該縦振動と該ねじれ振動を合成することにより楕円振動を形成し、該楕円振動によりロータを回転させる超音波モータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち本発明は、中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する振動子と、該振動子の楕円振動発生面に接して該振動子の該楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動されるロータと、を少なくとも備えた超音波モータであって、上記振動子の上記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、上記回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動とを合成することにより、上記楕円振動を形成してなることを特徴とする。
【０００７】
また本発明は、中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する振動子と、該振動子の楕円振動発生面に接して該振動子の該楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動されるロータと、を少なくとも備えた超音波モータであって、上記振動子の上記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、上記回転軸をねじれ軸とするねじれ３次共振振動とを合成することにより、上記楕円振動を形成してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単一の部材から成り、構造が単純であり、溝部等が不要であり、且つ、縦振動とねじれ振動を容易に励起することができる超音波振動子を提供することができ、該縦振動と該ねじれ振動を合成することにより楕円振動を形成し、該楕円振動によりロータを回転させる超音波モータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１０】
(第１の実施形態)
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１の実施形態に係る超音波モータを示すもので、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は摩擦接触部材を接着した状態の振動子の外観斜視図、（ｄ）は振動子の外観斜視図、（ｅ）は振動子表面に形成された交差指電極の配置例を示した図である。
【００１２】
図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、この超音波モータ１０は、圧電素子１１と、該圧電素子１１の長手方向と直交する面に接着された摩擦接触部材１３ａ及び１３ｂと、上記圧電素子１１の長手方向に形成された後述する貫通穴１２に挿通されるシャフト１５と、上記摩擦接触部材１３ａ及び１３ｂと接触して駆動されるロータ１６、ベアリング１７、ばね１８、ばね保持リング１９とから構成される。
【００１３】
尚、本第１の実施形態を含む以下の全ての実施形態に於いて、振動子は圧電素子単体から構成されている。
【００１４】
図１（ｃ）及び（ｄ）に示されるように、圧電素子１１は略直方体形状をなしており、そのＱ値は１０００以上のハード系のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電素子から構成されている。また、圧電素子１１の４つの側面には、それぞれ交差指電極２５が設けられている。ここで、交差指電極とは、例えば、図１（ｅ）に示されるように、＋相の電極２５ａと−相の電極２５ｂとが、交互に組み合わされて配置されているような電極を指すものとする。そして、交差指電極２５は、その側面内でできるだけ大きな面積となるようにするため、実際には、図１（ｅ）に示されるように、その側面部の一面に形成されているが、図面の簡単化のため、図１（ｅ）以外の図面では省略して示されている。また、＋相の電極２５ａと−相の電極２５ｂの先端は、それぞれ電極導出部２６ａ、２６ｂが形成されている。尚、これらの交差指電極２５の詳細については後述する。
【００１５】
上記圧電素子１１の長手方向（図の上下方向）の中央部には、シャフト１５を挿通させるための貫通穴１２が設けられている。図１（ｂ）に示されるように、シャフト１５はほぼ円柱形状で、圧電素子（振動子）１１の貫通穴１２のほぼ中央部２１で接着剤２２を用いて固定されている。上記シャフト１５は、中央部２１のみが、他の部分比べて僅かに径が大きく形成されている。そして、このシャフト１５は、圧電素子１１の貫通穴１２の中央部でのみ、圧電素子１１と接触固定されており、その他のシャフト部位は貫通穴１２内部の壁面とは接触していない。
【００１６】
圧電素子１１の一方の端面（ロータ１６が配される側の面）には、摩擦接触部材１３ａ及び１３ｂが接着されている。これらの摩擦接触部材１３ａ及び１３ｂは直方体形状に構成されるもので、圧電素子１１の一方の端面で、且つ楕円振動が発生している２箇所の部位に、それぞれ接着されている。これら摩擦接触部材１３ａ及び１３ｂの材質は、ＰＰＳ等のエンジニアリングプラスチックから成る。
【００１７】
ロータ１６は、アルミナセラミクスから構成されるもので、その中央部にはベアリング１７が嵌め込まれている。したがって、ロータ１６は、振動子の摩擦接触部材１３ａ、１３ｂに対し押圧力がかかった状態で載置されている。ばね１８は、ばね保持リング１９を回転していくことにより圧縮され、これにより、ロータ１６と圧電素子１１の摩擦接触部材１３ａ、１３ｂ間に適切な押圧がかかるようになっている。尚、ばね１８は、ベアリング１７の内側にのみ接触する構造となっている。
【００１８】
また、図示されないが、シャフト１５の一部にはねじが形成されており、同じくねじが形成されているばね保持リング１９と螺合して結合されている。
【００１９】
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態の超音波モータ１０に使用される圧電素子１１の固有周波数の一致に関して説明する。
【００２０】
図２（ａ）に示されるように、圧電素子１１の形状を直方体形状で、それぞれの辺ａ、ｂ、ｃの各寸法を適切な値とすることで、縦１次振動モードの共振周波数とねじれ２次振動モード、若しくはねじれ３次振動モードの、共振周波数をほぼ一致させるようにしている。
【００２１】
図２（ｂ）はねじれ１次振動モード、図２（ｃ）は縦１次振動モード、図２（ｄ）はねじれ２次振動モード、図２（ｅ）はねじれ３次振動モードの振動状態を概略的に示した図である。この場合、図２（ｂ）〜（ｅ）に於いて、図示ｐ1 ,ｐ2 はねじれ振動の方向を、図示ｑは縦振動の方向を表している。また、実線が振動前の圧電素子１１の形状を示しており、破線が振動後の圧電素子１１の形状を示している。尚、図中、２７は振動子（圧電素子）の振動の節に相当する位置である。
【００２２】
ここで、直方体の各辺ａ、ｂ、ｃを定義する。いま、辺ｃの方向を、縦１次振動モードの振動の方向、且つ、ねじれ振動のねじれの軸方向とする。また、辺ｃと直交する方向を辺ａの方向、辺ｂの方向とする。ここで、ａ＜ｂ＜ｃ、またａを短辺と称し、ｂを長辺と称するものとして、以下に説明する。
【００２３】
図３は、辺ｃを一定として、横軸を短辺の長さ／長辺の長さ（ａ／ｂ）とした時の各モードの共振周波数を表した図である。同図からわかるように、ａ／ｂを変化させた場合には、縦１次振動モードの共振周波数はａ／ｂに依存せず、ほぼ一定の値をとる。しかしながら、ねじれ振動の共振周波数は、ａ／ｂ値が１に近付けば近付くほど単調に大きくなっていく。ねじれ１次振動モードの共振周波数は、ａ／ｂがどのような値をとっても、縦１次振動モードの共振周波数と一致する条件はない。
【００２４】
しかしながら、ねじれ２次振動モードの共振周波数は、ａ／ｂ値が０．６近傍の時に一致することが明らかである。また、ねじれ３次振動モードの共振周波数は、ａ／ｂ値が０．３近傍の時に一致することが明らかである。したがって、本実施形態では、圧電素子１１の各寸法を、ａ／ｂが０．５〜０．７、好ましくはほぼ０．６となるように設定する。
【００２５】
次に、本超音波モータ１０の振動子である圧電素子１１の側表面に設けられている交差指電極の詳細について、図４乃至図６を参照して、説明する。
【００２６】
直方体形状の圧電素子１１の辺ｃと平行な４つの側面に交差指電極が設けられている。図４は圧電素子１１を上面から見た平面図、図５（ａ）〜（ｄ）及び図６（ａ）〜（ｄ）は、図４の圧電素子１１をα方向、β方向、γ方向、δ方向から、それぞれ見た図である。
【００２７】
この場合、駆動用交差指電極３１1 ,３１2 がα方向の面１１ａに、駆動用交差指電極３２1 ,３２2 がβ方向の面１１ｂに、振動検出用交差指電極が３３1 ，３３2 がγ方向の面１１ｃに、そして、振動検出用交差指電極が３４1 ，３４2 がδ方向の面１１ｄに、それぞれ設けられている。
【００２８】
面１１ａには、図５（ａ）に示されるように、２箇所に交差指電極３１1 ,３１2 が設けられ、これらは電気的に並列接続されている。交差指電極の設けられている位置は、図２（ｄ）に示されるように、ねじれ２次振動の節近傍である。交差指電極の傾きをその電極同士が交差する方向と定義し、図６（ａ）に示されるように、θ（０＜θ＜π／２）、下側の交差指電極はπ−θの角度を有している。その理由は、下側の節近傍では、上側の節近傍のねじれ方向とは逆の方向にねじれているからである。
【００２９】
交差指電極は、数μｍ厚程度の銀電極を、図示の如く圧電素子１１の表面に印刷・焼成して製作される。その後、高電圧が印加されて分極処理が行われ、圧電的に活性化される。尚、交差指電極３１1 ,３１2 の下方には、電極導出部３１1 ａ,３１2 ａが設けられている。更に、図５及び図６では、交差指電極は１ケ所について二対の例を示しているが、交差指電極の幅を細くすることで、図１（ｅ）に示されるように、対数を適宜多くしてもよい。
【００３０】
また、図５（ｂ）に示されるように、面１１ａと対向する面１１ｂにも、同様な位置に同様な理由によって交差指電極３２1 ,３２2 、更に電極導出部３２1 ａ,３２2 ａが設けられている。そして、図６（ｂ）に示されるように、上側の交差指電極は傾きがπ−θ、下側の交差指電極は傾きがθとなるように構成されている。この理由も上述した通りである。
【００３１】
次に、他の２つの側面に設けられている振動検出用交差指電極の構成について説明する。
【００３２】
図５（ｃ）に示されるように、２箇所に交差指電極３３1 ,３３2 、が設けられ、それらは電気的には並列接続されている。交差指電極３３1 ,３３2 の下方には、電極導出部３３1 ａ,３３2 ａが設けられている。上記交差指電極３３1 ,３３2 の設けられている位置は、図２（ｄ）に示されるように、ねじれ２次振動の節近傍である。
【００３３】
図６（ｃ）に示されるように、上側の交差指電極はφ（０＜φ＜π／２）、下側の交差指電極はπ−φの角度を有している。すなわち、下側の節近傍では上側の節近傍のねじれ方向とは逆の方向にねじれているからであり、図２（ｄ）によってそれは了解される。
【００３４】
また、図５（ｄ）に示されるように、面１１ｃと対向する面１１ｄにも、同様な位置に同様な理由によって交差指電極３４1 ,３４2 、更に電極導出部３４1 ａ,３４2 ａが、設けられている。この場合、上側の交差指電極は傾きがπ−φ、下側の交差指電極は傾きがφとなるように構成されている。
【００３５】
次に、このように構成された圧電素子１１の動作について説明する。
【００３６】
最初に、駆動用交差指電極を用いた圧電素子の動作について説明する。
【００３７】
先ず、図５（ａ）に示されるＡ相（Ａ＋相、Ａ−相）の電極導出部３１1 ａ,３１2 ａに、縦１次振動、若しくはねじれ２次振動の共振周波数に対応した交番電圧が印加されたとする。図５（ａ）には、その際に逆圧電効果により上側の交差指電極に発生する力が、ベクトルで表示されている。図５（ａ）に表されているＦなる力は交番力であり、その力をベクトル分解すると、Ｆ１とＦ２となる。Ｆ１なるカは図からも明らかなように、縦振動を励起させる力となる。また、Ｆ２は、図から明らかなように、ねじれ２次振動を発生させる力となる。
【００３８】
次に、図５（ｂ）に示されるＢ相（Ｂ＋相、Ｂ−相）の電極導出部３２1 ａ,３２2 ａにも、同じ周波数の交番電圧が印加された場合を考える。図５（ｂ）には、その際に上側の交差指電極に発生する力が、ベクトルで表示される。図５（ｂ）に示される力Ｆ′は交番力であり、その力をベクトル分解すると、Ｆ１′とＦ２′となる。力Ｆ１′は、図からも明らかなように、縦振動を励起させる力となる。また、力Ｆ２′は、図から明らかなように、ねじれ２次振動を発生させるカとなる。
【００３９】
次に、上記下Ａ相、Ｂ相に、同時に同位相の周波数の交番電圧が印加された場合に付いて考える。面１１ａと面１１ｂの上部に、交差指電極により発生する力のみを考えた場合、図５及び図６を見て考えると、力Ｆ２と力Ｆ２′は、互いにキャンセルし合い、ねじれ２次振動は発生せずに、縦１次振動のみ発生することになる。
【００４０】
次に、上記Ａ相、Ｂ相に同時に逆位相（位相差π）の上記周波数の交番電圧が印加されたとする。同様に面１１ａと面１１ｂの上部に交差指電極により発生する力のみを考えた場合、図５（ａ）及び（ｂ）を見て考えると、力Ｆ１とＦ１′は、互いにキャンセルし合い、縦１次振動は発生せず、ねじれ２次振動のみ発生することになる。
【００４１】
次に、Ａ相、Ｂ相に同時に、位相が０とπの中間の位相差を与えた場合について考える。この場合には、縦１次振動とねじれ２次振動が同時に起こり、それらの振動が合成された振動となる。この場合は、図１（ｃ）にも示されるように、振動子の摩擦接触部材１３ａ、１３ｂの接着位置に、ロータ１６を回転させるような向きに、時計方向（ＣＷ方向）若しくは反時計方向（ＣＣＷ方向）の楕円振動が形成される。
【００４２】
尚、残りの一対の駆動用交差指電極（面１１ａの下側交差指電極と面１１ｂの下側の交差指電極）についても同様であるので、説明は省略する。振動子の摩擦接触部材の位置に楕円振動が発生していると、押圧されているロータはその楕円振動の回転の向きに従って、時計方向（ＣＷ方向）若しくは反時計方向（ＣＣＷ方向）の向きに回転動作が行われることになる。
【００４３】
次に、振動検出用交差指電極の動作について説明する。
【００４４】
図４に於けるγ方向の面１１ｃとδ方向の面１１ｄにも、上述した面１１ａと面１１ｂと同様な交差指電極３３1 ,３３2 、３４1 ,３４2 が設けられている。
【００４５】
ここで、縦１次振動やねじれ２次振動が発生すると、圧電効果により交差指電極の面には電荷が発生する。その電荷は、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−間）の電圧若しくはＤ相（Ｄ＋，Ｄ−間）の電圧となって観測される。
【００４６】
上記駆動用交差指電極での動作では、上述したように、逆圧電効果により駆動電圧により力が発生していたのであるが、それとは全く逆に、機械的歪により電荷若しくは電圧が発生する。よって、縦１次振動のみが発生している場合は、Ｃ相とＤ相を並列順接続（Ｃ＋相の電極導出部３３1 ａとＤ＋相の電極導出部３４1 ａを結線、Ｃ−相の電極導出部３３2 ａとＤ−相の電極導出部３４2 ａを結線：並列順接続相と定義する）して、その間に発生している電圧は縦１次振動の大きさ、位相に比例した信号が得られる。
【００４７】
しかしながら、Ｃ相とＤ相を並列逆接続（Ｃ＋相の電極導出部３３1 ａとＤ−相の電極導出部３４2 ａを結線、Ｃ−相の電極導出部３３2 ａとＤ＋相の電極導出部３４1 ａを結線：並列逆接続相と定義する）した場合は、信号は出力されない。一方、ねじれ２次振動のみが発生している場合は、Ｃ相とＤ相を並列逆接続して、その間に発生している電圧はねじれ２次振動の大きさ、位相に比例した信号が得られる。しかし、Ｃ相とＤ相を並列順接続した場合は信号は出力されない。
【００４８】
よって、Ｃ相とＤ相の結線を選択することにより、縦１次振動若しくはねじれ２次振動を独立に検出することが可能である。
【００４９】
このような振動検出相（Ｃ相、Ｄ相）を用いてモータを駆動する方法について、以下に説明する。
【００５０】
駆動相であるＡ相若しくはＢ相の信号の位相と、振動検出相（例えばＣ相とＤ相を並列逆接続したもの）の位相との位相差は、ねじれ２次振動の共振周波数動作時に、所定の値Ωをとることが知られている。したがって、この場合には、駆動相と検出相の位相差を常にΩになるように周波数を調整して駆動することで、モータ自身の発熱による温度上昇や周囲環境温度の変化による共振周波数変化や負荷変動による共振周波数変化があった場合でも、常にねじれ２次の共振周波数近傍で駆動することができる。それ故、常に最適な周波数で効率よく駆動することができる。これは、縦１次共振周波数近傍で駆動する場合も同様の考え方で可能である。
【００５１】
このように、第１の実施形態によれば、圧電素子単体で振動子を構成することができ、形状も直方体と言う単純な形状のモータとなる。また、従来の縦・ねじれモータでは、ねじれ振動の周波数調整を行うための溝部が必須であったが、本実施形態ではそれが必要なくなる。更に、振動検出用電極も設けられているので、常に最適な周波数での駆動が可能である。
【００５２】
（第１の変形例）
次に、本発明の第１の実施形態の第１の変形例について説明する。
【００５３】
図７（ａ）〜（ｄ）は、本第１の実施形態の第１の変形例に於ける圧電素子１１（図４参照）をα方向、β方向、γ方向、δ方向から、それぞれ見た図である。
【００５４】
この第１の変形例では、面１１ａに駆動相のＡ相（Ａ＋相の交差指電極４１1 ａとＡ−相の交差指電極４１2 ａ）と、駆動相のＢ相（Ｂ＋相の交差指電極４２1 ａとＢ−相の交差指電極４２2 ａ）を設け、面１１ｂに振動検出相のＣ相（Ｃ＋相の交差指電極４３1 ａとＣ−相の交差指電極４３2 ａ）と検出相のＤ相（Ｄ＋相の交差指電極４４1 ａとＤ−相の交差指電極４４2 ａ）を設けた例が示されている。この場合、面１１ｃと面１１ｄには、交差指電極は設けられない。その他の構成と動作は、上述した第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００５５】
この第１の変形例によれば、面１１ｃと面１１ｄに電極を設けないで良いので、構成が簡単になるという効果がある。尚、面１１ａに駆動相Ａ相と振動検出相Ｃ相を設け、面１１ｂに駆動相Ｂ相と振動検出相Ｄ相を設けるようにしてもよい。
【００５６】
（第２の変形例）
次に、本発明の第１の実施形態の第２の変形例を説明する。
【００５７】
図８は、本発明の第１の実施形態の第２の変形例による超音波モータの外観斜視図である。
【００５８】
この第２の変形例は、上述した第１の実施形態の超音波モータに、更に底面側にもロータを設けた例である。摩擦接触部材１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、第１、第２のロータ１６ａ、１６ｂ、ベアリング１７ａ、１７ｂ、ばね１８ａ、１８ｂ、ばね保持リング１９ａ、１９ｂ、等の構成や駆動方法は、上述した第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５９】
本第２の変形例によれば、ロータの回転は２箇所から取り出せるという効果がある。
【００６０】
また、この第２の変形例に於いて、シャフトの軸に直交する圧電素子の断面の大きさが同一でない場合、例えば、直方体状の圧電素子のａ／ｂの値が同じで第１のロータ１６ａ側と第２のロータ１６ｂ側とで圧電素子の断面の大きさが異なる場合は、第１のロータ１６ａと第２のロータ１６ｂから２つの異なる出力を取り出すことが可能となる。
【００６１】
（第３の変形例）
次に、本発明の第１の実施形態の第３の変形例について説明する。
【００６２】
上述した第１の実施形態では、圧電素子（振動子）の形状を略直方体として説明したが、これに限られるものではない。例えば、図９に示されるように、中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する形状の振動子でも同様のことが言える。
【００６３】
図９は、本発明の第１の実施形態の第３の変形例による超音波モータを示すもので、（ａ）はシャフトに直交する圧電素子４７の断面が楕円形状の例を示した図、（ｂ）はシャフトに直交する圧電素子４８の断面が菱形形状の例を示した図である。また、図９（ａ）及び（ｂ）に於いて、その外径に接する仮想的な矩形は破線で示されており、図中ａ、ｂは仮想矩形の寸法を表している。
【００６４】
これらの寸法ａ、ｂを適宜調整することで、縦１次振動共振周波数とねじれ２次共振周波数を、ほぼ致させることが可能であり、上述した第１の実施形態と同様な構成、駆動方法で超音波モータを駆動させることができる。
【００６５】
尚、上述した第１の実施形態では、振動子を圧電素子単体構造として説明したが、交差指電極の片側を第１層、他の片側を第２層として、それらを交互に積層した積層圧電素子としても、全く同様の駆動原理にて超音波モータを動作させることができる。また、弾性体と圧電素子を接着した構造、または弾性体と積層圧電素子を接着した構造としても、交差指電極の構成を、本第１の実施形態と同様にすることで、同様に超音波モータとして動作させることが可能である。
【００６６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００６７】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る超音波モータを示す外観斜視図である。図１１は、摩擦接触部材を接着した状態の振動子を示したもので、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は平面図である。また、図１２は圧電素子５１を上面から見た平面図、図１３（ａ）、（ｂ）及び図１４（ａ）、（ｂ）は、図１１の圧電素子５１をα方向、β方向から、それぞれ見た図である。
【００６８】
尚、この第２の実施形態に於いては、超音波モータの基本的な構成及び動作については上述した第１の実施形態と同じであるので、説明の重複を避けるため、同一の部分には同一の参照番号を付して、その図示及び詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００６９】
本第２の実施形態に於ける超音波モータ５０の形状は、上述した第１の実施形態と同様に直方体形状であり、そのａ／ｂの値は０．２〜０．４、好ましくは０．３程度としてある。このような比率とすることで、図３に示されるように、縦１次振動とねじれ３次振動の共振周波数がほぼ一致する。
【００７０】
超音波モータ５０は、単体で振動子を構成して貫通穴５２を有する圧電素子５１と、摩擦接触部材５３ａ、５３ｂと、シャフト１５と、ロータ１６と、ベアリング１７と、ばね１８と、ばね保持リング１９と、を有して構成される。上記摩擦接触部材５３ａ、５３ｂは、ＰＰＳ材料から成るもので、ロータ１６の曲率と同じ曲率を有する円弧状に形成されており、ロータ１６の外周よりも内側になる位置に設けられている。
【００７１】
そして、本第２の実施形態では、図１２の矢印α方向より見た圧電素子５１の面５１ａと、同β方向より見た面５１ｂに交差指電極が設けられているが、同γ方向より見た面５１ｃ、同δ方向より見た面５１ｄには交差指電極は設けられていない。
【００７２】
先ず、図１３（ａ）を参照して、面５１ａの交差指電極について説明する。
【００７３】
図２（ｅ）によると、ねじれ３次振動は節が３箇所にあるが、それらを上部、中央部、下部と区別する。尚、中央部の節は圧電素子５１の幾何学的な中央部と一致する。また、図２（ｃ）に示される縦１次振動の節は中央部の１箇所にあり、よって、縦１次振動の節位置とねじれ３次振動の中央部の節位置とは、幾何学的に一致している。
【００７４】
面５１ａの上部交差指電極と中央部交差指電極（交差指電極５５1 、５５2 、５６1 、５６2 ）は電気的に並列に連結されており、駆動相Ａ相（Ａ＋，Ａ−）として機能する。また、下部交差指電極（交差指電極交差指電極５７1 、５７2 、５８1 、５８2 ）は振動検出相Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）として機能する。上記交差指電極の角度は、図１４（ａ）に示されるように、上部交差指電極をθ（０＜φ＜π／２）とすると、中央部交差指電極はπ−θ、下部交差指電極はφ（０＜φ＜π／２）とする。尚、φの値は、θと同じでも異なっていてもよい。
【００７５】
次に、図１３（ｂ）を参照して、面５１ｂの交差指電極について説明する。
【００７６】
上述したのと同様に、上部、中央部、下部に交差指電極が設けられている。また、上部と中央部は電気的に並列に接続されていて駆動相Ｂ相（Ｂ＋，Ｂ−）として機能する。下部の交差指電極は振動検出相Ｄ相（Ｄ＋，Ｄ−）として機能する。
【００７７】
上部交差指電極の角度は、図１４（ｂ）に示されるように、（π−θ）、中央部交差指電極の角度はθ、下部交差指電極の角度は（π−φ）に設定される。
【００７８】
このような振動子を用いてモータとして構成したものが、図１０に示される。この超音波モータ５０の構成内容は、上述した第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００７９】
このように構成された超音波モータの動作について説明する。
【００８０】
振動子、モータを駆動相により駆動する方法、及び振動検出相から振動を検出して最適な駆動周波数でモータを駆動する方法とも、上述した第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００８１】
このように、第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様な効果を有しているうえ、更に振動子をより薄く構成することができる。
【００８２】
また、第２の実施形態の変形例としては、上述した第１の実施形態の第１乃至第３の変形例が同様に考えられる。
【００８３】
更に、振動検出用の交差指電極は、駆動用交差指電極と同一の面ではなく、例えば面５１ｃ、面５１ｄに設けたものであってもよい。
【００８４】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００８５】
上述した第１及び第２の実施形態は圧電素子内に貫通穴を形成し、シャフトを挿通していたが、この第３の実施形態は圧電素子に貫通穴を設けずに構成している。
【００８６】
図１５は、本発明の第３の実施形態による超音波モータを示す外観斜視図である。図１６は摩擦接触部材を接着した状態の振動子を示したもので、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は平面図である。また、図１７は圧電素子６１を上面から見た平面図、図１８（ａ）及び（ｂ）は、図１７の圧電素子６１をα方向及びβ方向から、それぞれ見た図である。
【００８７】
尚、この第３の実施形態に於いては、超音波モータの基本的な構成及び動作については上述した第２の実施形態と同じであるので、説明の重複を避けるため、同一の部分には同一の参照番号を付して、その図示及び詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００８８】
また、本第３の実施形態に於ける超音波モータ６０の圧電素子６１の形状は、上述した第２の実施形態と同様に直方体形状であり、そのａ／ｂの値は０．２〜０．４、好ましくは０．３程度としている。このような比率とすることで、図３に示されるように、縦１次振動とねじれ３次振動の共振周波数がほぼ一致する。
【００８９】
この超音波モータ６０は、単体で振動子を構成する圧電素子６１と、摩擦接触部材６２ａ及び６２ｂと、ロータ１６と、ベアリング１７と、ばね１８と、ばね保持リング１９と、振動子保持部材６４と、シャフト固定リング６５と、シャフト６６と、から構成されている。
【００９０】
上記振動子保持部材６４は、圧電素子（振動子）６１のほぼ中央部に接着して設けられている。この中央部とは、圧電素子６１の縦１次振動の節部とねじれ３次振動の中央の節部と幾何学的にほぼ一致している。この振動子保持部材６４はアルマイト処理が施されたアルミ材料、若しくは絶縁処理が施された金属材料から成るものであって、一体として形成されている。振動子保持部材６４の下部は、圧電素子６１をその側面側より挟み込むように、コの字形状をなしており、上面は中央に貫通穴が形成された平板状となっている。この貫通穴から、一部にねじ山を有するシャフト６６が挿入される。
【００９１】
このシャフト６６は、シャフト固定リング６５により、振動子保持部材６４の上面で固定される。シャフト６６は、上述したように、ベアリング１７、ばね保持リング１９、シャフト固定リング６５内に挿入される。ベアリング１７の外周には、ロータ１６が回転自在に固定される。また、ばね保持リング１９とベアリング１７の間には、ばね１８が挿入されており、ロータ１６と圧電素子６１間に適切な押圧カが働くように、ばね保持リング１９を回転させて調整している。この調整後は、ばね保持リング１９は接着剤を用いてシャフト６６に固定される。
【００９２】
次に、このように構成された超音波モータ６０の動作を説明する。
【００９３】
この第３の実施形態に於いて、振動子、超音波モータを駆動相によりの駆動する方法、及び振動検出から振動を検出して最適な駆動周波数でモータを駆動する方法とも、上述した第１及び第２の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００９４】
本発明の第３の実施形態によれば、上述した第２の実施形態と同様な効果を有しているが、更に、以下のような効果を有している。すなわち、縦１次振動の節部とねじれ３次振動の中央の節部は幾何学的にほぼ一致している。よって、振動子を振動子保持部材６４で該共通の節部近傍を保持しても、振動子の振動が妨げられることはほとんどなく、また振動子の振動はほとんど振動子保持部材６４に伝播することはない。
【００９５】
したがって、振動子保持部材６４の上面を用いて、シャフトやロータやばね等を配設することができる。こうすることにより、圧電素子の長手方向の中央部に貫通穴を形成したり、その貫通穴内部でシャフトを固定する工程が不要となるので、工程が単純化される。
【００９６】
また、本第３の実施形態の変形例としては、上述した第１の実施形態の変形例が同様に適用可能である。
【００９７】
尚、この第３の実施形態に於いては、振動子保持部材６４の圧電素子６１を挟み込む位置は、縦１次振動の節部とねじれ３次振動の中央の節部とは幾何学的にほぼ一致した位置としている。しかしながら、多少のロスがあってもよいとするならば、例えば、直方体状の圧電素子のａ／ｂの値を０．５〜０．７、好ましくは０．６程度とすると共に、振動子として第１の実施形態のものを用いるようにし、振動子保持部材６４の挟み込み位置を、第１の実施形態に於ける圧電素子１１のねじれ２次振動の節部の位置若しくは縦１次振動の節部の位置に設けるようにしてもよい。
【００９８】
また、上述した実施形態では、圧電素子の側面部に設けられている電極を交差指電極として説明したが、これに限られるものではない。
【００９９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態以外にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。
【０１００】
更に、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波モータを示すもので、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は摩擦接触部材を接着した状態の振動子の外観斜視図、（ｄ）は振動子の外観斜視図、（ｅ）は振動子表面に形成された交差指電極の配置例を示した図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の超音波モータ１０に使用される圧電素子１１の固有周波数の一致に関して説明するための図である。
【図３】図２の圧電素子１１の辺ｃを一定として、横軸を短辺の長さ／長辺の長さ（ａ／ｂ）とした時の各モードの共振周波数を表した図である。
【図４】超音波モータ１０の振動子である圧電素子１１の側表面に設けられている交差指電極の詳細について説明するもので、圧電素子１１を上面から見た平面図である。
【図５】超音波モータ１０の振動子である圧電素子１１の側表面に設けられている交差指電極の詳細について説明するもので、図４の圧電素子１１をα方向、β方向、γ方向、δ方向から、それぞれ見た図である。
【図６】超音波モータ１０の振動子である圧電素子１１の側表面に設けられている交差指電極の詳細について説明するもので、図４の圧電素子１１をα方向、β方向、γ方向、δ方向から、それぞれ見た図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の第１の変形例に於ける圧電素子１１をα方向、β方向、γ方向、δ方向から、それぞれ見た図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の第２の変形例による超音波モータの外観斜視図である。
【図９】本発明の第１の実施形態の第３の変形例による超音波モータを示すもので、（ａ）はシャフトに直交する圧電素子４７の断面が楕円形状の例を示した図、（ｂ）はシャフトに直交する圧電素子４８の断面が菱形形状の例を示した図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る超音波モータを示す外観斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る超音波モータの摩擦接触部材を接着した状態の振動子を示したもので、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る超音波モータを示すもので、圧電素子５１を上面から見た平面図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る超音波モータを示すもので、図１１の圧電素子５１をα方向、β方向から、それぞれ見た図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る超音波モータを示すもので、図１１の圧電素子５１をα方向、β方向から、それぞれ見た図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態による超音波モータを示す外観斜視図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態による超音波モータの摩擦接触部材を接着した状態の振動子を示したもので、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態による超音波モータを示すもので、圧電素子６１を上面から見た平面図である。
【図１８】本発明の第３の実施形態による超音波モータを示すもので、図１７の圧電素子６１をα方向及びβ方向から、それぞれ見た図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０、５０、６０…超音波モータ、１１圧電素子（振動子）、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ…面、１２…貫通穴、１３ａ、１３ｂ…摩擦接触部材、１５…シャフト、１６…ロータ、１７…ベアリング、１８…ばね、１９…ばね保持リング、２１…中央部、２２…接着剤、２５ａ、２５ｂ、３１1 ,３１2 、３２1 ,３２2 、３３1 ,３３2 、３４1 ,３４2 …交差指電極、２６ａ、２６ｂ、３１1 ,３１2 、３２1 ,３２2 、３３1 ,３３2 、３４1 ,３４2…電極導出部、２７…節部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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